彭润杰

（华南理工大学，广东 广州 510641）

0 引言

珠江三角洲靠近南海的区域，广泛分布着软弱土层，在软土地基上进行工程建设需要提前对其进行处理，才能保证各类结构物的安全。长期以来，在工程上人们往往是从软土的宏观力学参数去评估软土的性质，比如弹性模量、孔隙比、含水率等，而较少从软土的微观结构去进行分析。软土的宏观力学性质是其微观结构在宏观上的表现，因此从软土的微观结构去认识软土，才能从根本上掌握软土的性质，从而提出更加合理高效的软基处理方法。本文对软土的微观结构进行分析，并提出软基处理方法。

1 软土成因及矿物组成

1.1 软土成因

软土是在弱水动力条件下，水体中的细颗粒物质由于水流缓慢或者静止，逐渐开始沉积，从而形成的饱和松软土层。

河流以及海洋的紊流中携带着大量的土颗粒，流速越小，其搬运能力越低。在河口处，水面最宽广，河流流速最慢，在此处沉积的都是粒径非常小的颗粒。同样的，海洋里的小颗粒在海侵和海退的反复过程中也在此沉积。因此，软土地层中的土颗粒，其大部分为粒径非常小的颗粒。

珠三角位于珠江入海口与南海的交界处，河流分布广泛，并且处于海洋边缘，因而是软弱土层的良好发育区域。珠江三角洲软土的形成与沉积环境的演变，主要受控于海平面的升降变化及其引起的海岸线变迁。历史上两次大规模的海侵和期间的一次海退，导致构成新老两套三角洲沉积[1]。

当发生海侵时，海平面上升，使得河流出海口往内陆方向移动，河流搬运能力下降，水流携带的细颗粒在河口处大量沉积。与此同时海侵带来海洋中的细颗粒物也在此沉积，形成软土。此外，海侵还将鱼类贝壳类尸体带到河口并沉积在此处。往上游，河流回水形成沼泽，沼泽地区有大量的木根草根腐烂，因此在这样的软土层往往包含有一定比例的有机物。

当发生海退时，海平面下降，河流出海口往海洋方向扩展，引起河口三角洲的扩张。在河口三角洲扩张的同时，河流搬运的粗颗粒物在河口沉积，而往海洋方向，河流搬运的细颗粒物在进入大海后，因水的搬运能力下降而沉积于出海口，引起软土的沉积和形成。

珠江三角洲经过两次海侵和一次海退，形成了典型的从上往下分布的“淤泥土层—砂层—淤泥质土层”式的地层分布，且软土厚度非常大，见图1所示。

图1 软弱土层

1.2 软土矿物组成

软土的矿物成分复杂，在珠江三角洲地区的软土，虽然各个组成部分的比例会有所不同，但是主要的黏土矿物成分基本相同，分别有蒙脱石、高岭石、伊利石等。

蒙脱石。蒙脱石颗粒间连接的键力较弱，水分子容易进入，只能形成非常细的黏土颗粒。蒙脱石的比表面积非常大，巨大的比表面积使其具有非常强的亲水性，因此其吸附的（弱）结合水膜厚度相当大。在法向压力作用下颗粒相互之间靠强度较低的弱结合水膜连接，而不是由颗粒直接接触相连接。这是该类矿物压缩性大、抗剪强度低的重要原因之一。

高岭石。高岭石颗粒间连接的键力较强，水分子不易进入，能形成较粗的黏土颗粒。高岭石的比表面积较小，亲水性较差，不及蒙脱石那么高，因此其吸附的（弱）结合水膜厚度较薄，压缩性低，抗剪强度较高。

伊利石。伊利石的性质介乎于蒙脱石和高岭石之间。

除了以上几种主要矿物，由海洋带来的鱼虾贝类以及河流附近腐烂的杂草木根等在河口附近沉积，因此该部分软土往往还夹杂着各类有机物质，从而进一步降低了软土的强度、渗透性。

2 结合水膜对软土颗粒的影响

土颗粒外部包含着结合水膜，结合水膜分为强结合水膜和弱结合水膜，见图2所示。强结合水膜性质接近固体，可看作土颗粒的一部分。弱结合水膜位于强结合水膜外侧，呈黏稠状，不会由于自身重力流动，但受力时可以变形，从水膜较厚的地方流向水膜较薄的地方。这样的性质产生了土的塑性，使土变得可塑[2]。即弱结合水膜形成土的塑性，水膜厚度越大，可塑性越强。

图2 土颗粒与强、弱结合水膜

因此，当土颗粒具有很大的比表面积，拥有极强的亲水性时，其吸附的弱结合水膜厚度是非常大的。这样的土体含水量会非常高，在外力作用下颗粒间靠强度较低的弱结合水膜而不是颗粒间直接接触相连接，压缩性大，抗剪强度低。

对于土颗粒来说，其吸附水分形成的（弱）结合水膜是造成土体高压缩性、抗剪强度低的重要原因之一，也是形成土塑性、影响土塑性指数的最重要原因之一。而软土中如果含有较多亲水性极强的蒙脱石，其弱结合水膜的厚度往往比较大，这样的软土往往会呈现高含水率、高压缩性、低抗剪强度等性质。

部分软土的主要成分也许不是蒙脱石，但是只要各类黏土矿物总含量达到一定的比例[3]，这类黏土矿物极强的亲水性依然会使得该类土呈现上述性质。

3 软土微观结构的形成

小粒径的颗粒往往是针片状的，这是其重要的特征，也深刻影响着软土的性质。这类土颗粒表面上分布着负电荷，而在边角处常常又携带正电荷。因此土颗粒不仅仅受到重力作用，还会受到静电力作用。此外土颗粒还会受到分子力作用。

静电力和分子作用力的大小已经与土颗粒自身的重力相当，不可忽视。因此在水中沉积时，由于颗粒为针片状，且颗粒极小，其自重并不是非常大。单个土颗粒在水中缓慢下沉，在重力、静电力、分子作用力三种力的复杂作用下，如果碰到已经沉积的土颗粒，其分子作用力和静电力大于自身的重力时，土颗粒将不再下沉，而是与已经沉积的土颗粒相连接，搭接成各类不同的结构，并不断连接和延伸。

这种连接经常会形成封闭状或者半封闭状的圈，这种圈连接起来包围着相当大的孔隙，孔隙中充满了水分、空气等复杂成分，其本质特征如图3所示。这种结构的本质是：颗粒通过边—边、边—面等边缘相连接，颗粒间连接是比较脆弱的，颗粒连接后，颗粒之间形成了孔隙。不同的软土搭接成的结构形式虽有所差别，但其在根本上是相同的。

图3 微观结构示意图

由于颗粒连接方式的不同，其结构的强度以及包含的孔隙体积千差万别，从而形成了软土结构千变万化的宏观指标。

4 软土宏观性质的微观解释

从软土的成因到微观结构的构成，可以解释软土的宏观力学性质：高压缩性、高含水率、强度低、易扰动、低渗透性等。

高压缩性。软土颗粒连接起来的圈包含着相当大的孔隙，而这种孔隙的结构是非常脆弱的。因此当外力（如上部结构荷载）作用在软土上时，会迫使孔隙间水的流出，圈内包含的孔隙被压缩，孔隙体积缩小，土的连接加强，抗剪强度提高。由于颗粒间孔隙的体积比较大，因此孔隙体积减小量相比土的骨架体积是同一个量级的，在宏观上就表现出土体的高压缩性。

高含水率。软土沉积时是河流及海洋的交界处，地点多为沼泽、河口三角洲等地，土体始终处于饱和的状态，因此含水率非常高。土颗粒间包含的孔隙基本都被孔隙水占据，小部分可能含有空气。因此，在宏观上表现出高含水率。

强度低。软土强度低主要有两个方面的原因。一方面从骨架结构上看，由于土颗粒沉积时往往是以边—边、边—面的连接方式结合，中间包含着体积较大的孔隙，并且土颗粒的连接主要靠静电力和分子间作用力。这种连接方式决定了其颗粒间的结合是非常脆弱的，犹如积木的简易松散搭接，其受力平衡非常容易被破坏。因此在宏观上表现为强度低。另一方面从土颗粒的成分上看，软土颗粒亲水性极强，在饱和的环境下，它吸附的结合水膜厚度非常大，导致颗粒间的连接依靠强度较低的弱结合水膜，而不是强度更高的颗粒间直接接触的咬合与摩擦。两者共同作用导致了软土较低的强度。

易扰动。软土很容易受到扰动而强度降低。这点和土颗粒骨架的连接方式有关。软土骨架以边—边、边—面的连接方式结合，中间包含着大体积的孔隙，这种连接方式其受力平衡非常容易被外力所破坏，宏观上则呈现出容易被扰动的特性。

低渗透性。软土的低渗透性与渗透路径、弱结合水膜厚度、溶液离子浓度、孔隙特征、有机物等因素相关。

（1）软土的孔隙蜿蜒曲折，导致孔隙水渗流的路径非常长，并且孔隙互相之间连通性不良，甚至部分孔隙是封闭的，孔隙水无法流动，因而导致水渗流的难度大。

（2）弱结合水膜厚度直接影响着有效渗流孔隙直径的大小。结合水膜厚度大，则有效渗流孔隙直径小，如果结合水膜厚度小，则有效渗流孔隙直径增大[4]。软土中溶液离子浓度能影响土颗粒外表面的电场分布，从而影响弱结合水膜厚度，改变渗流孔隙的有效渗流直径。史恬[5]等人的研究表明，相同黏土矿物组成的软土渗透系数随孔隙液离子浓度增大而增大，原因在于结合水膜厚度随着孔隙液离子浓度的增大而减小，增大了有效渗流孔隙直径。软土的孔隙直径非常小，其直径分布位于微米级以及微米级以下，并且部分孔隙甚至是封闭的，孔隙水流动困难，导致渗透系数非常小。

（3）沉积的软土中往往存在鱼虾尸体、枯萎的草木等有机物，而有机物属于疏水矿物，不利于水的流动。有机物的存在，往往会导致渗透性的降低。

5 软基处理方法

5.1 处理思路

软土高压缩性、高含水率、强度低的性质决定了它不能直接作为工程建设的地基，因此要对其进行预处理。软基处理的基本思路是：设法排出软土中的孔隙水，增大土骨架的有效应力，从而提高强度并使其发生预沉降，以减小工后沉降并提高土体承载力。具体的思路如下：

（1）排出孔隙水。使用外力促使孔隙水排出，如夯击动力排水、堆载预压排水、真空预压排水、真空预压联合堆载排水等。其目的就是通过外力促进孔隙水的流出，减小孔隙水压力，增大有效应力，从而提高强度，并使其发生预沉降，以减小工后沉降。

（2）改善排水条件。软土的渗透性非常小，土体中孔隙水排出的速度非常缓慢。因此仅仅施加外力迫使孔隙水排出，虽然可实现目标，但是工期会非常长，因此需要设法改善排水条件。在实际工程中，工程技术人员在堆载预压或者真空预压时，往往与排水系统搭配。排水系统分为水平排水系统和垂直排水系统。水平排水系统是在地基表面铺设一层砂层以促进排水，垂直排水系统有打入砂井或者塑料排水板等方法，这两种都是改善排水条件的有效手段。

（3）减小排水路径。软土固结速度还决定于排水路径的长短。打入土体中的砂井或者塑料排水板的间隔越小，土体中孔隙水渗流的路径越短，排出的速度越快，效果越好。垂直排水系统中塑料排水板间隔一般在1m左右，这样可以大大缩短孔隙水的渗流路径，加快排水速度和固结速度，有效减小工期。

5.2 主要的几种软基处理方法

根据上述软基处理思路，主要有换填法、塑料板+动静力排水固结法、堆载预压法、真空预压法和真空联合堆载预压法等几种软基处理方法。

（1）换填法。对于厚度薄、面积小的软土，如果软土的埋深比较浅，那么最有效的软基处理办法则是挖去该部分软土，然后换填条件好的土层，从而实现永久地解决软土地基问题。

（2）塑料板+动静力排水固结法。一般做法是打入塑料排水板，然后用夯击或静力压载的方式迫使孔隙水排出，见图4。但是动力法容易产生挤土现象，且容易引起土的各向异性发展，因此适合厚度不大的软土，且使用时应当十分小心。

图4 塑料排水板固结法

（3）堆载预压法。堆载预压法是在软土层上逐级施加大荷载，并打入排水板或砂井，利用外部荷载的压力，使得土体中的孔隙水被挤压排出，压缩土体孔隙，从而控制土体的工后沉降，提高土体的承载力，见图5。当施工工期比较长，时间允许，软土厚度大、范围广的时候，堆载预压法是一个比较适合的方法。

图5 堆载预压法

（4）真空预压法。真空预压法是往软土中打入排水板，在地表覆盖一层膜隔离大气，然后利用泵机抽出空气形成真空，利用大气压将软土中的孔隙水排出的方法，见图6。真空预压法适用于工期短或者堆载材料不足、软土厚度大的情况。通过显微镜观察，经过真空预压后的软土试样，孔隙体积明显缩小，真空预压处理的效果是非常明显的。真空预压法的处理深度一直没有定论，普遍认为有效作用深度在15～20m左右，对于更深的软土其处理效果一般。

（5）真空联合堆载预压法。在实际工程中，往往将多种方法综合起来使用，从而达到更好的处理效果。将堆载法和真空预压法两者相结合，可以实现更好的软基处理效果。

5.3 软基处理新方法

随着工艺的进步，越来越多的新方法被人们开发出来用以处理软土地基。

（1）虹吸排水法。虹吸现象是一种利用液面高差产生的作用力推动液体流动的物理现象，由于液面存在着高差，液体在压力差的作用下，从压力大的一端流向压力小的一端，直到容器的液面变成相同的高度。本质是液体分子间引力与位能差造成的。虹吸排水法是利用虹吸原理将软土中的孔隙水在土体孔隙水压力的推动下“自动”排出的方法。该方法具有免动力高效持续有效输送水体、排水过程自动调整液面、虹吸流量随坡体地下水位上升而增大等特点。缺点在于：由于是依靠孔隙水压力推动排水，一方面需要场地有高低差，另一方面随着孔隙水排出，压力降低，排水速度迅速下降，效果随之降低。

（2）电渗法。土体中的孔隙水本质上是一种离子溶液，其中的电场分布影响着水分子的排列，水分子在电场作用下会有特定的流动方式，因此在软土中插入电极，产生特定的电场，可以使得孔隙水定向排出。但是电渗法耗能非常大，且电极损耗严重，成本高，此外由于水能导电，存在安全隐患，因此尚无法大规模推广。

6 结束语

软土的宏观性质是软土微观结构的外在表现，因此要对软土进行有效的处理，从而减小工后沉降，提高地基承载力，都需要加深对软土结构的认识。

软土颗粒沉积的过程中会以边—边、边—面的形式进行连接，这种连接结构犹如搭积木一般，其力学结构非常脆弱。软土颗粒比表面积越大，弱结合水膜的厚度越大，颗粒间连接则越依靠结合水膜的相互作用力。土体颗粒之间包含的孔隙体积非常大，但是孔隙直径非常小，孔隙长度非常长，其中的孔隙水流动十分困难。这些因素使得软土呈现出高压缩性、高含水率、强度低、渗透性低等宏观性质。

软土的处理方法与其微观结构是息息相关的。软土的孔隙直径小、蜿蜒曲折甚至是封闭的，这样的微观结构导致了孔隙水难以排出。因此需要提供外力迫使孔隙水流出。同时为了改善排水条件，减小渗流路径，从而提高固结速度，需要往土体深部铺设排水板，并适当减小排水板的间距。此外无论是堆载预压、真空预压等传统方法，还是虹吸法、电渗法等新型方法，都是在这些方法的基础上进行的。

在软土的微观结构中，弱结合水膜在软土的各项性质中发挥着至关重要的作用。弱结合水膜对土颗粒本身的强度、土颗粒之间的连接强度、土体孔隙直径、土体渗流水路径等有着极大的影响，深刻改变着软土的结构强度。